Standards für die Fabrikautomation: SECS/GEM-Konformität und Nachrüstlösungen

Zusammenfassung

• Marktkontext: Es wird prognostiziert, dass der Halbleitermarkt bis 2030 ein Volumen von fast einer Billion Dollar erreichen wird, wodurch die Automatisierung für die Deckung der Nachfrage von entscheidender Bedeutung ist (McKinsey, 2023).
• Die Herausforderung: Gemischte Flotten aus modernen und älteren Geräten führen zu Kommunikationssilos, die die Datenerfassung und Prozesssteuerung behindern.
• Die Lösung: Die Anwendung von Fabrikautomatisierungsstandards wie SECS/GEM und GEM300 gewährleistet eine nahtlose Kommunikation zwischen Ausrüstung und Host.
• Altlasten-Nachrüstungen: Einnosys bietet Hardware- und Softwarelösungen, um nicht konforme „dumme“ Werkzeuge ohne teure Neuanschaffungen in intelligente Werkzeuge umzuwandeln.
• Vorteile : Verbesserte Ertragssteuerung, weniger Ausschuss und ein klarer Weg zur Industrie 4.0-Konformität.

Einführung

Die Halbleiterindustrie boomt. Laut McKinsey (2023) wird der globale Halbleitermarkt bis 2030 voraussichtlich ein Volumen von einer Billion US-Dollar erreichen. Um dieser enormen Nachfrage gerecht zu werden, können Hersteller nicht länger auf manuelle Dateneingabe oder isolierte Produktionsanlagen setzen. Effizienz ist der entscheidende Faktor.

Dennoch kämpfen überraschend viele Produktionsstätten weiterhin mit Anlagen, die sich nicht mit dem zentralen Managementsystem verbinden lassen. Diese Kommunikationslücke ist oft auf die Nichteinhaltung von Automatisierungsstandards zurückzuführen . Wenn Maschinen ihren Status, Alarme oder Prozessdaten nicht an das Manufacturing Execution System (MES) übermitteln können, verlangsamt sich die Produktion. Fehler schleichen sich ein. Die Ausbeute sinkt.

Ob hochmoderne 300-mm-Waferfabrik oder spezialisiertes LED-Werk – für jede Produktionsstätte ist eine einheitliche Gerätesprache unerlässlich. Diese Sprache wird durch die SEMI-Standards, insbesondere SECS/GEM, definiert. Dieser Artikel erläutert diese Protokolle und zeigt, wie die Lösungen von Einnosys die Lücke zwischen stummen Maschinen und einer vollständig vernetzten Smart Factory schließen.

Entschlüsselung des Buchstabensalats: Was ist SECS/GEM?

Wer schon einmal versucht hat, einen Windows-PC ohne den passenden Treiber mit einem Drucker aus den frühen 2000er-Jahren zu verbinden, kennt die Schwierigkeiten der Geräteintegration. In einer Fabrik stehen deutlich mehr auf dem Spiel als nur ein klemmendes Papierfach.

Die Standards für die Fabrikautomation sind die vereinbarten Protokolle, die es verschiedenen Maschinen unterschiedlicher Hersteller ermöglichen, mit einem Host-Computer zu kommunizieren. Der am weitesten verbreitete Standard ist SECS/GEM.

Die zwei Teile der Gleichung

• SECS (Semiconductor Equipment Communication Standard): Dies kümmert sich um Folgendes: Transportwesen Es definiert, wie Nachrichten über eine Verbindung (üblicherweise RS-232 oder TCP/IP) gesendet werden. Es unterteilt sich in SECS-I (seriell) und HSMS (High-Speed ​​SECS Message Services für Ethernet).
• GEM (Generisches Modell für die Kommunikation und Steuerung von Fertigungsanlagen): Dies kümmert sich um Folgendes: VerhaltenEs definiert, was die Maschinen melden sollen. GEM stellt sicher, dass jede Maschine vorhersehbar reagiert, wenn der Host eine „Statusvariable“ anfordert.

Ohne GEM würde eine Ätzanlage die Temperatur beispielsweise in Celsius, ein Beschichtungsgerät hingegen in Kelvin anzeigen, und keines der beiden würde signalisieren, wann ein Charge abgeschlossen ist. Die Automatisierungsstandards SECS/GEM beseitigen dieses Chaos.

Warum dieses Protokoll den Ton angibt

Warum verwenden wir immer noch einen vor Jahrzehnten entwickelten Standard? Zuverlässigkeit.

SECS/GEM ist robust. Es ermöglicht Folgendes:

1. Fernbedienung: Starten und Stoppen von Verarbeitungsaufträgen von einem Kontrollraum aus.
2. Alarmverwaltung: Sofortige Benachrichtigung, wenn eine Prozessvariable außerhalb der Spezifikation liegt.
3. Datensammlung: Erfassung kritischer Messdaten für die Ertragsanalyse.
4. Rezeptverwaltung: Das korrekte Prozessrezept wird direkt in das Tool hochgeladen, um menschliche Fehler zu vermeiden.

Benötigt Ihr Toaster diese Präzision? Wahrscheinlich nicht. Doch für die Automatisierung in der Halbleiterfertigung, wo ein einziger Fehler einzelne Wafer im Wert von Tausenden von Dollar ruinieren kann, ist sie unerlässlich.

Skalierung: GEM300 und Schnittstelle A

Mit dem Übergang der Industrie von 200-mm- zu 300-mm-Wafern wurde die Logistik für die einfache GEM zu komplex. Der Transport einer Kassette mit 25 Wafern (einer FOUP) wurde zur Aufgabe automatisierter Materialhandhabungssysteme (AMHS) und nicht mehr von Menschen.

Die GEM300 Standard Suite

Zur vollständigen Automatisierung der Fertigungsprozesse wurden die GEM300-Standards eingeführt. Diese umfassen:

• E39 (Objektdienste): Umgang mit Daten als Objekten.
• E40 (Prozessauftragsmanagement): Verfolgung der Bearbeitung spezifischer Wafer.
• E87 (Carrier Management): Steuerung der Bewegung der FOUPs (Front Opening Unified Pods) zu und von den Ladeöffnungen.
• E90 (Substratverfolgung): Überwachung der einzelnen Wafer innerhalb des Trägers.

Für eine moderne 300-mm-Fertigungsanlage ist die Einhaltung dieser Normen der Unterschied zwischen einem synchronisierten Ballett der Roboter und einem kollisionsanfälligen Desaster.

Schnittstelle A (EDA)

SECS/GEM eignet sich zwar hervorragend zur Steuerung, kann aber bei der Verarbeitung großer Datenmengen für Hochfrequenzanalysen an seine Grenzen stoßen. Hier kommt Schnittstelle A (Gerätedatenerfassung) ins Spiel.

Schnittstelle A läuft parallel zu SECS/GEM, dient aber ausschließlich der Datenerfassung. Sie ermöglicht es den Teams in der Fabrikautomation, Hochgeschwindigkeitsdaten zur Fehlererkennung abzurufen, ohne die Steuerungsvorgänge des Werkzeugs zu verlangsamen.

Die Herausforderung der veralteten Ausrüstung

Die Realität vieler Fabriken sieht so aus: Sie bauen keine komplett neue Fabrik. Wahrscheinlich verfügen Sie über eine Mischung aus brandneuen Anlagen und zuverlässigen Maschinen, die seit Ende der 90er Jahre im Einsatz sind.

Laut einem Bericht der SEMI Foundation (2022) basiert ein erheblicher Teil der weltweiten Kapazität für 200-mm-Wafer auf veralteten Anlagen. Diese Maschinen schneiden Silizium zwar einwandfrei, ihre Computer sind jedoch veraltet. Einige laufen mit Windows 98, andere verfügen über keine Ethernet-Anschlüsse und wieder andere nicht über die Software, die SECS/GEM unterstützt.

Das Problem der „dummen“ Maschine

Wenn eine Maschine keine Verbindung zum MES herstellen kann, entsteht ein „schwarzes Loch“ in Ihren Daten.

• Die Bediener müssen die Losnummern manuell eingeben (was fehleranfällig ist).
• Ingenieure können die Leistung nicht in Echtzeit einsehen.
• Die Rezeptauswahl erfolgt manuell, was häufig zu dem gefürchteten „falschen Rezept“-Vorfall führt, bei dem etwas verworfen werden muss.

Für die Automatisierung von Fertigungslinien in der LED- oder PV-Herstellung bedeutet der Austausch dieser teuren Anlagen allein zur Erlangung von Konnektivität finanziellen Selbstmord. Der ROI ist in der Regel nicht gegeben.

Wie modernisiert man also, ohne neu zu kaufen?

Einnosys Solutions: Die Lücke schließen

Hier kommt Einnosys ins Spiel. Wir sind darauf spezialisiert, scheinbar Unmögliches möglich zu machen. Wir wissen, dass die Einhaltung von Automatisierungsstandards in der Fertigung nicht den Ausfall funktionsfähiger Anlagen erfordern sollte.

EIGEM – Der SECS/GEM-Treiber

Für Gerätehersteller (OEMs), die neue Werkzeuge entwickeln, ist das Schreiben des SECS/GEM-Codes von Grund auf eine enorme Belastung. Es lenkt die Entwickler von der Konzentration auf die Kernprozesstechnologie ab.

EIGEM ist unsere Bibliothek-/Treiberlösung. Es handelt sich um eine Plug-and-Play-Softwarekomponente, die OEMs in ihre Anlagensteuerungssoftware integrieren können. Dadurch wird die Maschine sofort mit den Automatisierungsstandards SECS/GEM und GEM300 kompatibel. EIGEM unterstützt C#, C++, Java und Python und ermöglicht so eine reibungslose Integration unabhängig von der zugrunde liegenden Architektur.

Nachrüstung mit Hardware-Adaptern

Für Fabriken, die noch an diesen veralteten Anlagen festhalten, reicht Software allein oft nicht aus. Wenn die Maschinensteuerung ein proprietäres Blackbox-System oder eine veraltete SPS ist, wird eine Zwischenlösung benötigt.

Einnosys bietet intelligente Hardware-Adapter (E-Box) an, die als Übersetzer fungieren.

1. VERBINDUNG: Wir greifen auf die internen Signale des Geräts zu (über analoge/digitale Ein-/Ausgänge, SPS-Register oder Protokolldateien).
2. Übersetzung: Die E-Box interpretiert diese Signale: „Die Heizung ist an“, „Die Tür ist offen“.
3. Kommunikation: Der Adapter wandelt diese Zustände in standardisierte SECS/GEM-Nachrichten um und sendet sie an den Werkshost.

Für das MES sieht die 30 Jahre alte Sputteranlage heute aus wie ein brandneues, smart-kompatibles Werkzeug und verhält sich auch so.

Wichtigste Vorteile der Standardisierung

Warum sollte man sich die Mühe machen? Warum sollte man in die Nachrüstung oder Aufrüstung auf diese Standards investieren?

Ertrags- und Qualitätskontrolle

Durch die Automatisierung der Rezeptauswahl mittels SECS/GEM wird der Tippfehler vermieden. Ein Bediener kann nicht versehentlich das Rezept für „hohe Temperatur“ für eine Charge mit „niedriger Temperatur“ auswählen, wenn der Host-Computer dies verhindert.

Darüber hinaus können Verfahrenstechniker durch die automatisierte Datenerfassung Abweichungen bei Temperatur oder Druck erkennen, bevor diese die Charge ruinieren.

Betriebliche Effizienz (OEE)

Was man nicht misst, kann man nicht verbessern. Indem Sie alle Anlagen nach den Standards der Fabrikautomatisierung ausrichten, erhalten Sie Einblick in Folgendes:

• Wartezeit: Wartet die Maschine auf einen bestimmten Bediener?
• Ausfallzeit: Wie häufig fällt die Vakuumpumpe aus?
• Durchsatz: Erreichen wir die Ziele pro Stunde?

Diese Daten fließen direkt in die OEE-Berechnungen (Overall Equipment Effectiveness) ein und ermöglichen es dem Management, Engpässe genau zu identifizieren.

Zukunftssicherheit für Industrie 4.0

Der Begriff „Industrie 4.0“ ist in aller Munde, bedeutet aber im Wesentlichen, Daten für fundierte Entscheidungen zu nutzen. KI- und Machine-Learning-Modelle benötigen saubere, strukturierte Daten.

Stammen Ihre Daten aus manuellen Excel-Tabellen, werden Ihre KI-Modelle versagen. Die Automatisierungsstandards der Fabrik gewährleisten, dass die Daten, die Ihre fortgeschrittenen Analysen speisen, präzise, ​​aktuell und standardisiert sind.

Umsetzung: So fangen Sie an

Die Umwandlung einer Fabrik in eine intelligente Fabrik ist kein Vorgang, der über Nacht geschieht. Sie erfordert einen strategischen Ansatz.

Bewertung und Audit

Beginnen Sie mit einer Überprüfung Ihres Fußbodens.

• Welche Maschinen sind bereits GEM-konform?
• Auf welchen Rechnern ist GEM vorhanden, muss aber noch aktiviert werden?
• Welche Maschinen sind „dumm“ und benötigen eine Nachrüstbox?

Partner für den Erfolg

Versuchen Sie nicht, einen SECS/GEM-Treiber intern zu entwickeln, es sei denn, Sie verfügen über ein Entwicklerteam, das nichts anderes zu tun hat. Es handelt sich um ein komplexes Protokoll mit Hunderten von Sonderfällen.

Die Partnerschaft mit Experten wie Einnosys ermöglicht es Ihren internen Teams, sich auf die Prozessentwicklung zu konzentrieren, während wir die Vernetzung übernehmen. Ob Sie als OEM eine Bibliothek für eine neue Drahtbondmaschine benötigen oder als Fabrikleiter eine Reihe älterer Öfen vernetzen möchten – wir verfügen über die erforderlichen spezifischen Tools.

Fazit

Die Halbleiterindustrie ist unerbittlich. Mit schrumpfenden Strukturgrößen und steigenden Produktionsmengen schwindet der Spielraum für Fehler. Die Einhaltung von Automatisierungsstandards ist kein Luxus mehr für die führenden 300-mm-Fertigungsanlagen, sondern eine Überlebensvoraussetzung für jede Produktionsstätte in der Lieferkette.

Von der grundlegenden Kommunikation mit SECS/GEM bis hin zum Management komplexer Logistikprozesse mit GEM300 bilden diese Protokolle das Nervensystem der modernen Fabrik. Und für die in Vergessenheit geratenen Anlagen bietet Einnosys die Brücke in die Zukunft.